Transmisii hibride inovatoare cu ADN electric Partea a 2-a

Continuare din numărul anterior

Atunci când funcționează ca un vehicul hibrid cu încărcare la priză cu o baterie mult mai mare, este oportună operarea sistemului cu schimbarea punctului de încărcare. În modul serial, motorul cu ardere internă este operat în cel mai bun punct de consum specific din harta de performanță a motorului. În modul paralel, sarcina este selectată astfel încât punctul de funcționare în funcție de viteză să se afle pe curba optimă de consum specific, iar excesul de energie este salvat înapoi în baterie, în timp ce energia lipsă este furnizată de baterie. Modul în care ICE este optimizat în mod specific în acest context pentru o unitate hibridă serială/paralelă este descris în numărul anterior.

Harta de performanță a generatorului din Figura 1 prezintă modul corespunzător de-a lungul unei curbe de performanță pentru unitatea hibridă completă. Punctul optim pentru un hibrid plug-in este în mod clar în modul serial. Frecvența cu care trebuie repornit motorul cu ardere internă scade pe măsură ce crește dimensiunea bateriei. Linia orizontală din cadranul generator arată, în ambele cazuri, că energia cinetică a motorului cu motorină este recuperată în mod constant în modul generator atunci când este oprit.
Hărțile de performanță pentru motoarele de tracțiune arată că, între 4000 rpm și 6000 rpm, există o tranziție de la modul serial la modul paralel, deoarece gradul de utilizare scade considerabil de aici încolo. În cazul hibridului plug-in, cvadrantul generator prezintă o utilizare mult mai mare la sarcini mici datorită implementării schimbării punctului de sarcină. Intervalul de utilizare se poate modifica în funcție de sistem pentru a asigura o acoperire de până la 100 % a conducerii într-un vehicul cu autonomie extinsă.

A fost posibil să se ilustreze potențialul transmisiei hibride multimodale cu ajutorul unui vehicul demonstrativ. Un vehicul produs în volum curent a fost transformat cu ajutorul unei transmisii hibride plug-in (motor pe benzină de 1,6 l cu o putere nominală de 80 kW, instalare față-transversală, transmisie cu dublu ambreiaj, motor electric P2). Schimbarea consecventă a punctului de sarcină în vehiculul demonstrativ în modurile paralel și serial asigură faptul că peste 85 % din punctele de funcționare în WLTC (modul de încărcare prin reglare) se află în zona consumului specific optim de combustibil, figura 2 (stânga). Figura 2 (dreapta) prezintă diferitele moduri de conducere în funcție de performanța de conducere și de viteza vehiculului. Pornind de la o stare de încărcare ridicată a bateriei, tranziția trece inițial de la modul paralel la modul electric pentru performanțe de conducere mai scăzute și apoi tranziția trece de la modul serial la modul electric. Dacă starea de încărcare a bateriei ajunge la un nivel scăzut, așa cum se arată în figura 12 (dreapta), zonele de funcționare electrică și paralelă sunt maximizate din motive de eficiență, în timp ce componenta serială este utilizată în principal pentru a stabiliza starea de încărcare a bateriei. De la aproximativ 60 km/h, modul primar este cel paralel.

Este la fel de important ca strategia de funcționare să fie concepută astfel încât să se obțină o manevrabilitate foarte bună. Figura 3 utilizează accelerația la sarcină maximă măsurată pe vehiculul demonstrator pentru a arăta că transmisia hibridă dedicată Schaeffler nu numai că a atins mai rapid o viteză mai mare în intervalul de timp în cauză decât transmisia hibridă P2 instalată în mod standard, dar și că accelerația longitudinală este mai uniformă, deoarece nu există întreruperi ale cuplului datorate schimbării de viteze. Transmisia hibridă Schaeffler poate atinge o accelerație hibridă în sarcină completă de la 0 la 100 km/h în 9,2 s, în timp ce vehiculul produs în volum cu aceeași baterie și cu un motor cu ardere internă identic are nevoie de 10,4 s. În plus, acest vehicul se conduce la fel de confortabil ca un vehicul electric datorită caracteristicilor de accelerație uniformă și, prin urmare, prezintă deja „ADN” electric.
În plus, este clar că interfețele vehiculului sunt, de asemenea, foarte ușor de utilizat atunci când se utilizează transmisia hibridă MultiMode. Există o interfață de cuplu pentru comunicarea cu vehiculul și o interfață de stare pentru ambreiaj și pentru blocarea de parcare, adică trebuie controlată doar starea (deschis sau închis). Efortul necesar pentru calibrarea vehiculului este, de asemenea, extrem de redus în comparație cu transmisiile clasice, datorită designului intuitiv.

Dezvoltarea conceptuală ulterioară

Schaeffler continuă să exploreze alte oportunități de optimizare în afara dezvoltării actuale a volumelor de transmisii hibride MultiMode. Unul dintre obiective este reducerea în continuare a spațiului necesar și a costurilor, precum și creșterea eficienței și a densității de performanță.

O opțiune evolutivă pentru a reduce și mai mult complexitatea generală și costurile sistemului este utilizarea unui manșon glisant deplasabil în locul unui ambreiaj lamelar. Acționarea manșonului și a blocării de parcare poate fi hidraulică sau electromecanică. Acest lucru poate fi combinat cu un sistem de răcire în întregime cu apă pentru motoarele electrice și cu o lubrifiere pasivă cu ulei a elementelor mecanice. Această construcție renunță, de asemenea, la etajul de raport dintre motorul cu motorină și generator, ceea ce permite reducerea în continuare a pierderilor mecanice. În plus, pierderile la decuplarea motorului în regim paralel pot fi reduse cu ajutorul unui al doilea manșon glisant.
Beneficiile reale în materie de spațiu și costuri ale acestei abordări bazate pe soluții sunt valorificate dacă se adoptă o abordare mai radicală a conceptului și se implementează doar modul în serie, figura 14. În acest caz, doar motorul electric acționat de generator este conectat la arborele cotit pentru a forma un „prelungitor de autonomie” împreună cu motorul cu ardere internă. Motorul electric de tracțiune, pe de altă parte, formează o punte electrică cu un etaj de angrenaje cu roți dințate și un diferențial. În acest caz, cuplarea este pur electrică prin intermediul electronicii de putere.
Economiile de costuri realizabile cu acest tip de concept se bazează pe faptul că există mai puține componente. Pe de o parte, nu este nevoie de amortizor, deoarece nu există o transmisie directă de la motorul cu motorină la roți, ceea ce afectează confortul. Pe de altă parte, elementul de separare și acționarea acestuia nu sunt, de asemenea, necesare, deoarece nu este nevoie de un cuplaj mecanic. În plus, în acest tip de aplicație, motorul cu ardere internă poate fi proiectat să funcționeze doar într-o anumită zonă a hărții, cu un consum specific minim de combustibil. Acest tip de concept este deosebit de interesant pentru piețele în care vitezele mai mari (în care pot fi exploatate avantajele de eficiență ale transmisiei directe) nu sunt relevante din cauza ciclurilor de conducere corespunzătoare și în care există, de asemenea, anumite sensibilități de preț.
O modificare revoluționară și inovatoare a transmisiei hibride dedicate este combinarea a două motoare electrice într-un stator în care componenta radială internă a statorului (rotorul intern) acționează ca generator, iar componenta radială externă (rotorul extern) ca motor, figura 15. Avantajul acestei construcții imbricate constă în densitatea ridicată a performanțelor. În plus, există o reducere semnificativă a materialului utilizat, deoarece ambele motoare pot fi decupate din tablă de oțel. Jugul statoric central poate fi utilizat de câmpurile magnetice ale ambelor mașini.
Posibilele efecte reciproce ale câmpurilor magnetice dintre cele două motoare reprezintă o provocare în acest caz. Măsurătorile inițiale efectuate pe un prototip indică faptul că efectele reciproce ale câmpurilor magnetice sunt minime și pot fi considerate controlabile. Atunci când este integrat în transmisia hibridă Schaeffler, se poate obține o reducere a greutății cu 10 kg și o reducere a lungimii cu 49 mm. Rigiditatea grupului motopropulsor crește, de asemenea, în timp ce costurile scad. Acest tip de motor este, în principiu, potrivit pentru toate transmisiile hibride bazate pe două motoare electrice.

Rezumat

Sistemele de propulsie hibride care asigură un procent ridicat de conducere electrică au o contribuție importantă la reducerea emisiilor de CO2 în sectorul transporturilor și, în combinație cu combustibilii sintetici, ar putea chiar să contribuie în viitor la un trafic rutier complet neutru din punct de vedere al emisiilor de CO2 – în special în zonele din lume unde infrastructura de încărcare este în prezent insuficientă. Din acest motiv, Schaeffler își extinde portofoliul actual de transmisii electrice pe punți și module hibride pentru a include o transmisie hibridă dedicată, care facilitează atât modurile de propulsie electrică în serie și în paralel, cât și modul ICE și, prin urmare, este cunoscută și sub denumirea de „transmisie hibridă multimodală” (MHH). Această transmisie hibridă dedicată poate fi utilizată atât la vehiculele hibride complete, cât și la cele hibride plug-in și, prin urmare, poate fi adaptată la cerințele de reglementare și de infrastructură din diferite părți ale lumii.
Designul cu două motoare electrice, un ambreiaj și un raport fix, fără schimbare de viteză, a fost ales pentru a permite trei moduri de funcționare posibile: Conducere pur electrică, utilizând încărcătura stocată în baterie, conducere electrică cu motorul de combustie internă în funcțiune pentru a produce energia necesară și acționare mecanică directă de către motorul de combustie internă pentru punctele de încărcare în care aceasta este o soluție deosebit de eficientă.
Complexitatea mecanică a transmisiei hibride este extrem de redusă, cu unsprezece puncte de sprijin, un etaj de angrenaj inelar și două seturi de roți dințate drepte. Sistemul hidraulic, cu conceptul de pompă unică, are, de asemenea, un raport cost/beneficiu favorabil. Deoarece nu există schimbare de viteze, efortul de aplicare este minim, ceea ce înseamnă că se pot obține îmbunătățiri semnificative ale consumului prin implementarea consecventă a strategiei de operare.
Prin construirea unui vehicul demonstrativ, Schaeffler coroborează atât potențialul de consum de combustibil, cât și excelenta manevrabilitate, care este foarte apropiată de cea a unui vehicul cu propulsie electrică acționată exclusiv de baterii în ceea ce privește comportamentul de accelerare și confortul la volan. În acest sens, transmisia hibridă pentru autoturisme reprezintă un pas decisiv în dezvoltarea ulterioară a transmisiilor hibride către un viitor din ce în ce mai electric. Schaeffler extinde dezvoltările actuale bazate pe volum, lucrând atât la un design și mai compact, folosind o construcție imbricata pentru motoarele electrice, cât și la o simplificare suplimentară a întregului concept pentru a deveni un simplu „prelungitor de autonomie”.